虛擬仿真技術(shù)在核電站大件吊裝中的應(yīng)用研究

中廣核工程有限公司 謝永輝 中電建集團(tuán)核電工程公司 賈廣明 馬海峰

核電站大型設(shè)備吊裝中，因需吊裝設(shè)備尺寸大且剛度低、周圍建筑物高聳密集、吊裝機(jī)械體型大且對(duì)地基要求高，需全面慎重考慮吊點(diǎn)及吊索具設(shè)計(jì)和吊裝運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。目前吊裝方案編制主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，采用頭腦風(fēng)暴等方法識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，采用傳統(tǒng)的文字描述吊裝過(guò)程，采用表格計(jì)算相關(guān)參數(shù)，存在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別不完整、過(guò)程描述不直觀具體、方案優(yōu)化不方便、數(shù)值計(jì)算比較麻煩的不足。

1 虛擬仿真技術(shù)

1.1 計(jì)算機(jī)仿真方法

在解決工程技術(shù)難題時(shí)，需探索物質(zhì)世界運(yùn)行規(guī)律和演變過(guò)程，在采用全比例模型進(jìn)行試驗(yàn)在經(jīng)濟(jì)和風(fēng)險(xiǎn)上不可接受時(shí)，一般采用理論計(jì)算、縮比模型、計(jì)算機(jī)仿真三種方法來(lái)探索事物的內(nèi)在規(guī)律，研究過(guò)程的演化過(guò)程。其中隨著ICT 技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真方法具有代價(jià)小、時(shí)間短、可重復(fù)、參數(shù)設(shè)置靈活的特點(diǎn)，在解決工程技術(shù)難題時(shí)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1.2 大件吊裝涉及的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

采用虛擬仿真的大件吊裝過(guò)程涉及的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)主要有運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、靜力學(xué)仿真、動(dòng)力學(xué)仿真、材料結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真等。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真主要研究物體在幾何空間的位置和速度（隨時(shí)間變化的空間位置），關(guān)注點(diǎn)在空間位置及干涉、速度及效率，不涉及對(duì)象受力。動(dòng)力學(xué)仿真主要研究物體的受力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，主要解決兩類問(wèn)題，一是已知物體的運(yùn)動(dòng)，求物體的受力；二是已知物體受力，求物體的運(yùn)動(dòng)。在大件吊裝方案編制的工程應(yīng)用中，一般通過(guò)研究物體受力平衡的狀態(tài)，將動(dòng)力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題。靜力學(xué)仿真主要研究物體在受力平衡狀態(tài)的受力規(guī)律。核電站大件吊裝一般是靜止?fàn)顟B(tài)或低速勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可簡(jiǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題處理。

通過(guò)理論力學(xué)分析求出物體受力后，根據(jù)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，采用有限元分析的方法求出大件吊裝的吊點(diǎn)、吊具的應(yīng)力、變形，評(píng)估其強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足要求。

1.3 吊裝虛擬仿真

吊裝虛擬仿真是大型吊裝技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真方法結(jié)合的產(chǎn)物，涉及力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、控制理論、項(xiàng)目管理理論、人機(jī)工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。中廣核工程有限公司建設(shè)了基于達(dá)索3D Experience 軟件的施工虛擬仿真平臺(tái)，可進(jìn)行各種吊裝虛擬仿真工作。

圖1 主要步驟

吊裝虛擬仿真主要過(guò)程是在施工虛擬仿真平臺(tái)中建立和物理實(shí)體一致的三維模型，將其中具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能的三維模型添加機(jī)械約束形成機(jī)械模型。按照擬定施工方案步驟對(duì)機(jī)械模型編程添加激勵(lì)使其執(zhí)行一些列操作，并建立虛擬攝像機(jī)、測(cè)量?jī)x在各個(gè)設(shè)定視角觀察和測(cè)量整個(gè)吊裝過(guò)程，檢查各部分間的間隙和碰撞、工作空間等數(shù)據(jù)，分析評(píng)估其操作可行性及風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)測(cè)量分析結(jié)果方便的通過(guò)參數(shù)化的修改模型和激勵(lì)調(diào)整方案，直至得出最優(yōu)施工方案。

2 采用虛擬仿真技術(shù)的大件吊裝方案編制

下文以某華龍一號(hào)核電站環(huán)吊的環(huán)軌梁整體吊裝為例，闡述采用虛擬仿真技術(shù)規(guī)劃和編制核電站大型設(shè)備的整體吊裝方案的方法。該仿真采用的是達(dá)索3D Experience 軟件，主要使用其中的CATIA、DELMIA、SIMULIA 相關(guān)功能。

2.1 主要步驟

采用虛擬仿真技術(shù)編制大件吊裝方案一般分為建模和裝配、布置規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、碰撞和空間分析、力學(xué)分析等幾個(gè)步驟，需經(jīng)過(guò)幾輪迭代優(yōu)化可得到滿意的方案。

2.2 建模和裝配

采用CATIA 等三位建模軟件，建立環(huán)軌梁整體吊裝涉及的構(gòu)筑物、地形、吊車等機(jī)械設(shè)備、環(huán)軌梁等設(shè)備部件。

三維建模的精度要遵循焦點(diǎn)對(duì)象高精度、非焦點(diǎn)對(duì)象低精度的原則。如作為被吊裝物體的環(huán)軌梁及與之進(jìn)行機(jī)械適配的吊具、履帶吊吊鉤，以及和環(huán)軌梁進(jìn)行機(jī)械配合的牛腿，需按實(shí)際尺寸進(jìn)行體現(xiàn)到毫米級(jí)尺寸特征的高精度建模。在吊裝路徑范圍內(nèi)的塔吊、反應(yīng)堆廠房的鋼襯里可進(jìn)行相對(duì)低精度的建模，對(duì)于其他構(gòu)筑物和地形模型可進(jìn)行低精度建模；對(duì)于大型履帶吊等吊裝機(jī)械，應(yīng)先查其性能表選定合適工況，如帶600t 超起配重的78m+60m 的塔式工況，按照其工況建立模型。對(duì)于需新設(shè)計(jì)的吊具可先設(shè)計(jì)一個(gè)尺寸合適的模型，在后續(xù)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和優(yōu)化。

圖2 碰撞空間分析

在環(huán)軌梁吊裝過(guò)程中需運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，在建模后需在DELMIA 的Equipment Design 模塊中將各運(yùn)動(dòng)部件之間，如履帶吊的下車和上車、上車和主臂、主臂和副臂、吊鉤和副臂之間建立機(jī)械連接，約束其某些方向上的自由度，建立機(jī)械和被吊裝物品的機(jī)械接口，將獨(dú)立的三維實(shí)體構(gòu)建成為具備真實(shí)運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)械，為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供條件；對(duì)于空間位置確定的地形、構(gòu)筑物、塔吊、環(huán)軌梁等被吊裝物項(xiàng)，可按實(shí)際位置進(jìn)行模型裝配。大型履帶吊等吊裝機(jī)械和工裝裝配位置在布置規(guī)劃環(huán)節(jié)確定。

2.3 布置規(guī)劃

主要確定履帶吊等吊裝機(jī)械的站位，以及吊裝工裝擺放、輔助汽車吊和運(yùn)輸板車的行走通道等。首先在CATAI 的Assembly Design 模塊將大型履帶吊、路基板、超起配重等擺放到一個(gè)大致合適的位置，采用測(cè)量工具測(cè)量其與周邊構(gòu)筑物、邊坡距離，通過(guò)參數(shù)化調(diào)節(jié)使其保留一個(gè)安全距離。將吊裝工裝、運(yùn)輸板車、輔助汽車吊擺放到合適的工作位置，通過(guò)參數(shù)化調(diào)節(jié)其三維坐標(biāo)，使其周邊運(yùn)輸通道和工作空間足夠。

2.4 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

完成初步的布置規(guī)劃后，進(jìn)入DELMIA 的Equipment Simulation 模塊對(duì)吊裝機(jī)械的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行編程添加激勵(lì)，模擬整個(gè)吊裝過(guò)程。以某華龍一號(hào)核電站環(huán)吊的環(huán)軌梁吊裝為例，吊裝主要步驟有起吊、回轉(zhuǎn)、變幅、落鉤等幾個(gè)步驟：

在吊鉤-副臂運(yùn)動(dòng)副添加平移運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，方向向上、速度5m/min、總行程100m，也可采用示教方式將吊鉤拖動(dòng)到一個(gè)合適的高度作為運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)；在履帶吊上車-下車運(yùn)動(dòng)副添加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，方向逆時(shí)針、速度5°/min。建立經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆廠房中心線-履帶吊回轉(zhuǎn)中心線的輔助面，采用示教方式將上車拖動(dòng)到輔助面上作為運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)，也可測(cè)量主臂和輔助面之間的角度，直接設(shè)定回轉(zhuǎn)角度；在主臂-上車運(yùn)動(dòng)副添加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，方向順時(shí)針、速度1°/min，因主臂趴桿的角度有限，故直接設(shè)定總回轉(zhuǎn)角度5°；在副臂-主臂運(yùn)動(dòng)副添加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，方向順時(shí)針、速度1°/min。在反應(yīng)堆廠房中心建立輔助線，采用示教方式將副臂拖動(dòng)到輔助線運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)，也可進(jìn)過(guò)測(cè)量設(shè)定回轉(zhuǎn)角度。

2.5 碰撞和空間分析

進(jìn)行碰撞分析前需定義碰撞檢測(cè)參數(shù)，選擇檢測(cè)對(duì)象為履帶吊、構(gòu)筑物、塔吊，設(shè)定碰撞閾值，為安全起見(jiàn)一般設(shè)500mm，即兩個(gè)物體間的距離小于500mm 即視為碰撞；進(jìn)行空間分析前需對(duì)需監(jiān)測(cè)的空間距離建立動(dòng)態(tài)測(cè)量，如主臂和龍門(mén)架廠房之間、環(huán)軌梁和塔吊之間、副臂和反應(yīng)堆廠房鋼襯里之間等，可在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)查看各處間距。需注意的是，在仿真時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量非常占用計(jì)算資源，造成運(yùn)行卡頓，每次仿真時(shí)宜激活不超過(guò)3個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

設(shè)置好碰撞檢測(cè)和動(dòng)態(tài)測(cè)量后即可在Equipment Simulation 模塊執(zhí)行動(dòng)態(tài)吊裝仿真，查看運(yùn)動(dòng)過(guò)程。仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)顯示定義的間隙測(cè)量值、碰撞位置提示，可隨時(shí)暫停查看。仿真結(jié)束后彈出碰撞檢測(cè)報(bào)告，列出碰撞位置，根據(jù)上述數(shù)值和位置進(jìn)行碰撞分析和空間分析判斷是否碰撞，吊裝安全距離是否足夠。如仿真中發(fā)現(xiàn)碰撞和安全距離不夠，需針對(duì)具體情況來(lái)修改吊車站位、運(yùn)動(dòng)路徑，甚至重建模型修改吊裝工況、再重新進(jìn)行仿真，直到滿足條件為止。

2.6 力學(xué)分析

如吊裝需要新設(shè)計(jì)吊具，在第一步可先設(shè)計(jì)一個(gè)尺寸合適的模型，經(jīng)碰撞和空間分析通過(guò)后，再對(duì)新設(shè)計(jì)吊具進(jìn)行力學(xué)分析。力學(xué)分析可采用3D Experience 的SIMULIA 模塊進(jìn)行，也可采用ANSYS 等軟件進(jìn)行。由于環(huán)軌梁吊裝時(shí)的速度很慢，履帶吊的吊臂有較大彈性、履帶吊的鋼絲繩較長(zhǎng)且有彈性、吊索也有彈性，整個(gè)吊裝過(guò)程中加速度很小，因此僅進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算即可滿足工程需要。

吊具的靜力學(xué)分析采用有限元法，對(duì)吊具模型進(jìn)行約束和加載并劃分網(wǎng)格，設(shè)定加載曲線后計(jì)算出應(yīng)力和變形。分別以額定載荷、1.5倍額定載荷加載，一般1.5倍額定載荷時(shí)最大von-Mises 應(yīng)力小于許用應(yīng)力，額定載荷時(shí)變形小于限值即認(rèn)為通過(guò)。如不通過(guò)需修改吊具模型，通過(guò)修改結(jié)構(gòu)形式、局部補(bǔ)強(qiáng)、處理，修改后需重新進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，如外形尺寸有較大修改，需重新進(jìn)行碰撞和空間分析。

綜上，采用虛擬仿真技術(shù)編制大型設(shè)備吊裝方案后，其產(chǎn)出包括一份帶有詳細(xì)三維插圖的施工方案、一套完整吊裝三維模型、一套吊裝仿真視頻。和傳統(tǒng)的純文字描述施工方案、二維圖紙插圖施工方案相比，能傳遞更豐富、更直觀、更準(zhǔn)確的信息，更有利于作業(yè)人員理解作業(yè)過(guò)程。同時(shí)，可方便的通過(guò)修改參數(shù)調(diào)整吊車布置、動(dòng)作規(guī)劃，提高方案優(yōu)化迭代效率，是一種高效的施工方案編制方法。其不足主要是三維虛擬仿真軟件學(xué)習(xí)曲線較陡，掌握難度稍大，且軟件價(jià)格昂貴，但未來(lái)三維CAE 軟件全面普及后應(yīng)能有效解決。